DE68911809T2 - Integrierbare, aktive Diode. - Google Patents

Integrierbare, aktive Diode.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für eine logische Schaltung gegen Rückwartsspannungen; insbesondere betrifft sie eine solche Schutzvorrichtung für eine gemischt aufgebaute Schaltung aus einem logischen Schaltungsteil und einem Leistungsteil mit MOS- Vertikaltransistoren.
  • In der US-A-4303958 ist eine gemischte Struktur mit einer aktiven Schutzdiode der beanspruchten Art beschrieben, um einen Leistungsteil gegen Rückwärtsspannungen zu schützen, wobei der logische Schaltungsteil durch die Verwendung eines Serienwiderstandes geschützt wird.
  • Fig. 1 zeigt ein elektrisches Schaltungsdiagramm mit einer Spannungsquelle 1, z.B. der Batterie eines Automobiles, einen Schaltungsteil zur Leistungsschaltung 2 und einem logischen Schaltungsteil 3. Mit dem Schaltungsteil zur Leistungsschaltung 2 kann eine Last L versorgt werden. Der logische Schaltungsteil 3 ist mit externen Eingangen 4 versehen. Eine in der Figur nicht dargestellte Zenerdiode ist üblicherweise parallel zu der Spannungsquelle geschaltet. Mit dieser Zenerdiode kann die Spannung begrenzt werden, wenn die Spannungsquelle eine Spannung in Vorwartsrichtung liefert.
  • Der Schutz der logischen Schaltung 3 gegen Rückwärtsspannungen muß durch eine Diode 5 sichergestellt werden. Diese Diode 5 liegt außerhalb des logischen Schaltungsteiles 3. Es wahre sehr vorteilhaft, wenn die Diode 5 Teil der gleichen integrierten Schaltung wie der logische Schaltungsteil 3 wäre.
  • Fig. 2 stellt im Schnitt einen herkömmlichen gemischten Aufbau dar, in dem der Leistungsteil schematisch durch eine Zelle eines vertikalen MOS-Leistungstransistors TP vom Diffusionstyp (VDMOS) und der logische Schaltungsteil durch einen MOS-Transistor TL dargestellt sind. Der Aufbau wird in einem Substrat 11 eines ersten Leitungstyps, z.B. vom N-Typ, realisiert. Eine Zelle eines MOS-Leistungstransistors TP weist einen Bereich 9-1, 9-2 auf, der durch Diffusion eines zweiten Leitungstyps gebildet wird, z.B. vom P-Typ. In jedem Bereich 9-1, 9-2 sind zwei N&spplus;-Diffusionsbereiche 14 realisiert, die die Source des Leistungstransistors bilden. Die beiden Diffusionsbereiche 14 sind miteinander durch eine leitende Schicht 15 verbunden, die z.B. aus Aluminium besteht. Die seitlichen Grenzen der Bereiche 9-1, 9-2 bilden einen Kanalbereich 20 des Leistungstransistors.
  • Jeder MOS-Leistungstransistor TP weist ein Gate 12 auf, das durch eine Schicht aus polykristallinem Silizium gebildet wird. Dieses Gate 12 ist von dem Substrat 11 durch eine Oxidschicht 13 getrennt.
  • Die Unterseite 17 des Substrates 11 weist eine hochdotierte Schicht 19 auf, die mit einer Metallisierung der Drain 18 bedeckt ist.
  • Der MOS-Transistor TL des logischen Schaltungsteiles wird in einem Graben 24 vom P-Typ ausgebildet. Dieser Graben 24 weist zwei N&spplus;-Diffusionsbereiche auf, wobei der erste Diffusionsbereich die Source 22 und der zweite Diffusionsbereich die Drain 23 des Transistors TL bilden. Dieser Transistor weist ein Gate 21 aus einer Schicht polykristallinen Siliziums auf. Das Gate 21 ist vom Graben 24 durch eine Oxidschicht 25 getrennt. Die Diffusionsbereiche, die die Source 22 und die Drain 23 bilden, sind jeweils mit einer Leitung verbunden, die mit 26 bzw. 27 bezeichnet ist. Diese Leitungen 26, 27 sind z.B. aus Aluminium.
  • In herkömmlicher Art wird in dem Graben 24 eine P&spplus;-Zone 28 vorgesehen, die mit einer Leitungsschicht 29 verbunden ist. Die Zone 28 und die leitende Schicht 29 ermöglichen das Anlegen des Grabens 24 an Masse.
  • Um eine integrierte Schutzdiode für die logische Schaltung in der Struktur entsprechend Fig. 2 zu realisieren, könnte man eine Lösung ins Auge fassen, die in Fig. 3 dargestellt ist.
  • In Fig. 3 ist wiederum der Logiktransistor TL in einem Graben 24 dargestellt, der einen die Source 22 bildenden Diffusionsbereich und einen die Drain 23 des Transistors bildenden Diffusionsbereich aufweist. Der Transistor weist ebenfalls ein Gate 21 auf.
  • In dieser Struktur wird die in Fig. 2 dargestellte Zone 28 mit der erhöhten P&spplus;-Dotierung ersetzt durch eine Zone 41 mit erhöhter N&spplus;-Dotierung. Dieser Aufbau stellt somit eine Diode 42 im Bereich der Grenzschicht zwischen dem Graben 24 vom P- Typ und der Zone 41 dar.
  • Diese Diode 42 schützt den logischen Schaltungsteil gegen Rückwärtsspannungen. Jedoch weist dieser Aufbau mehrere Nachteile auf.
  • Zunächst wird das Massepotential um eine Spannung verringert, die dem Spannungsabfall an den Anschlüssen einer vorwärts geschalteten Diode entspricht. Dieser Spannungsabfall VF hat einen typischen Wert von 0,7 Volt. Im Falle von z.B. einer TTL-Logikschaltung mit zwei Zuständen "0" und "1" entspricht der logische Pegel "0" einer unteren Spannung von 0,4 Volt und der logische Pegel "1" einer oberen Spannung von 2 Volt. Mit einem Absenken um 0,7 Volt wird der Pegel "0" entsprechend der in Fig. 3 dargestellten Struktur nicht mehr kompatibel mit dem Pegel "0" der TTL-Logikschaltung.
  • Ein zweiter Nachteil ist dadurch bedingt, daß die Diode 42 eigentlich durch die Emitter-Basis-Grenzschicht eines parasitären bipolaren NPN-Transistors gebildet wird, dessen Kollektor durch die N-Schichten 11, 19, dessen Emitter durch die Zone 41 und dessen Basis durch den Graben 24 gebildet werden, wobei die Basis mit keinem Element auf definiertem Potential verbunden ist.
  • Dieser parasitäre bipolare NPN-Transistor mit schwebendem Gitter hat eine schlechte Spannungsfestigkeit (eine niedrigere Spannungsfestigkeit als der MOS- Leistungstransistor TP). Wenn somit der MOS- Leistungstransistor TP gesperrt ist, zieht das Auftreten einer erhöhten Spannung an den Anschlüssen der Spannungsquelle den Durchbruch des parasitären bipolaren NPN- Transistors vor demjenigen des MOS-Leistungstransistors nach sich.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt einen neuen Aufbau vor, der es erlaubt, eine Schutzvorrichtung oder eine aktive Schutzdiode zu realisieren, die in den logischen Schaltungsteil integriert ist. Die aktive Schutzdiode gegen Rückwärtsspannungen eines logischen Schaltungsteiles, die in einer monolithischen Struktur enthalten ist, die einen logischen Schaltungsteil und einen Leistungsteil mit vertikalen MOS-Transistoren aufweist und mit einer Versorgungsspannungsquelle verbunden ist, wobei der logische Schaltungsteil aus herkömmlichen MOS-Transistoren aufgebaut ist, die in einem Graben eines ersten Leitungstypes in einem Substrat eines zweiten Leitungstypes gelegen sind und wobei die Rückseite des Substrates der Drain des vertikalen MOS- Transistors entspricht, der Graben eine Oberseite aufweist und die aktive Schutzdiode in dem Graben realisiert ist, weist gemäß der Erfindung einen MOS-Transistor auf, dessen Gate oder Steuerelektrode durch eine Spannung angesteuert wird, deren Vorzeichen repräsentativ für die Polung der Versorgungsspannung ist, und dessen Drain mit Masse verbunden ist, und weist ferner eine tiefe Zone mit hoher Dotierung des ersten Leitungstyps auf, die sich von der Oberseite des Grabens nach unten erstreckt und mit der Source des MOS- Transistors verbunden ist.
  • Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren näher erläutert. In dieser stellen dar:
  • Fig. 1, die bereits beschrieben wurde, ein elektrisches Schaltungsdiagramm mit einem Leistungsschaltteil und einer zu schützenden Logikschaltung;
  • Fig. 2, die bereits beschrieben wurde, einen Schnitt einer herkömmlichen gemischten Struktur, in der der Leistungsteil schematisch als eine Zelle eines vertikalen MOS- Leistungstransistors vom Diffusionstyp (VDMOS) und die Logikschaltung durch einen MOS-Transistor dargestellt sind;
  • Fig. 3, die bereits beschrieben wurde, einen Schnitt durch eine Struktur, in der ein erstes Ausführungsbeispiel einer mit der Logikschaltung integrierten Schutzvorrichtung dargestellt ist;
  • Fig. 4 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung, in der eine Schutzvorrichtung in der Logikschaltung integriert ist;
  • Fig. 5A, 5B und 5C elektrische Schaltungsdiagramme entsprechend der in Fig. 4 dargestellten Schutzvorrichtung; und
  • Fig. 6 ein elektrisches Schaltungsdiagramm einer Steuervorrichtung für die Schutzvorrichtung der Logikschaltung.
  • Wie es bei der Darstellung von integrierten Schaltungen üblich ist, sind die verschiedenen Schnittansichten nicht im richtigen Maßstab dargestellt, und zwar weder von einer Figur zur anderen noch innerhalb ein- und derselben Figur, und insbesondere sind die Schichtdicken willkürlich gezeichnet, um das Lesen der Figuren zu erleichtern.
  • Fig. 4 stellt im Schnitt eine Anordnung in einem Substrat 60 dar, die unter anderem einen vertikalen MOS-Transistor mit einer Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist. Die Rückseite des Substrates 60 weist eine hochdotierte Schicht 3 auf, die mit einer Metallisierung 74 bedeckt ist. Ein herkömmlicher MOS-Transistor TL-1 weist ein Gate 61, das durch eine polykristalline Siliziumschicht gebildet wird, und Source- und Drain-Bereiche 62 bzw. 63 auf, die durch einen Diffusionsbereich vom N&spplus;-Typ gebildet sind. Der Transistor TL-1 ist mit anderen Transistoren einer Steuerschaltung in einem Graben 64 vom P-Typ gelegen.
  • Ein MOS-Transistor TS weist ein Gate 65, das durch eine polykristalline Silizumschicht gebildet ist, sowie Source- und Drain-Bereiche 66 bzw. 67 auf, die durch einen Diffusionsbereich vom N&spplus;-Typ gebildet werden, wobei dieser Transistor TS in dem gleichen Graben 64 wie der Transistor TL-1 gelegen ist. Eine leitende Schicht 68, z.B. aus Aluminium, ist mit dem Drain-Bereich 67 verbunden und ermöglicht, daß dieser Drain-Bereich an Masse gelegt wird.
  • Der Graben 64 weist eine Oberfläche 69 und eine untere Fläche 70 auf, die zwischen dem Graben und dem Substrat 60 gelegen ist. Eine Zone 71 mit erhöhter P&spplus;-Dotierung wird ausgehend von der Oberfläche des Grabens ausgebildet und ist mit dem Source-Bereich 66 durch eine leitende Schicht 72 z.B. aus Aluminium verbunden. Diese Zone 71 kann sich bis zu der unteren Fläche 70 des Grabens erstrecken, wie dieses auch dargestellt ist.
  • Die Struktur bildet einen bipolaren NPN-Transistor, dessen Emitter durch den Drain-Bereich 67 des Transistors TS, dessen Basis durch den Graben 64 und dessen Kollektor durch die Schichten 60, 73 der Drain des vertikalen MOS- Leistungstransistors gebildet werden (siehe Fig. 2).
  • Der Transistor TS und der bipolare NPN-Transistor bilden die Schutzvorrichtung gemäß der Erfindung.
  • Die Fig. 5A, 5B und 5C stellen elektrische Schaltungsdiagramme dar, die denen der Schutzvorrichtung entsprechend Fig. 4 entsprechen. In diesen Figuren ist der bipolare NPN-Transistor mit der in der Fig. 4 dargestellten Struktur mit 81 bezeichnet. Das Gate des Transistors TS ist mit 82, die Source mit 83 und die Drain mit 84 bezeichnet. In den Fig. 5A, 5B und 5C ist der Emitter des bipolaren NPN- Transistors mit 85, die Basis mit 86 und der Kollektor mit 87 bezeichnet.
  • Der Transistor TS kann sich in zwei Zuständen abhängig vom Vorzeichen der an seinem Gate angelegten Spannung befinden.
  • Wenn die an dem Gate angelegte Spannung positiv ist, ist der Transistor TS in leitendem Zustand. Dieser Fall ist in Fig. 5B dargestellt. Die Basis 86 und der Emitter 85 des bipolaren Transistors 81 sind somit miteinander verbunden. Der bipolare Transistor 81 entspricht somit einer Diode 88, die, wie dieses aus Fig. 4 entnommen werden kann, durch den Graben 64 und das Substrat 60 gebildet ist. Der Graben liegt somit an Massepotential.
  • Wenn die an dem Gate angelegte Spannung negativ ist, ist der MOS-Transistor TS gesperrt. Dieser Fall ist in Fig. 5C dargestellt. Die Basis des bipolaren Transistors ist nicht mehr mit einem definierten Potential verbunden. Der bipolare Transistor 81 entspricht zwei Dioden 88 und 89, wobei die Diode 88 wie im Falle der Fig. 5B durch den Graben 64 und des Substrats 60 und die Diode 89 durch den Graben 64 und den Drain-Bereich 67 gebildet werden. Die Diode 89 gestattet den Schutz der Logikschaltung.
  • Indem eine negative Spannung an das Gate des Transistors TS nur im Falle der Umkehrung der Polung an den Anschlüssen der Drain 74 angelegt wird, kann man sowohl eine Verbindung des Grabens mit Masse erhalten, wenn die Polung korrekt ist, als auch das Einfügen einer Schutzdiode während einer Umkehrung der Polung.
  • Fig. 6 stellt ein elektrisches Schaltungsdiagramm einer Steuerschaltung der Steuervorrichtung gemäß Fig. 4 dar. Diese Steuerschaltung weist eine Zenerdiode 101 auf, die zwischen Gate und Source des Transistors TS geschaltet ist, einen Widerstand 102 mit hohem Wert (ein typischer Wert des Widerstandes 102 ist 1 Megohm) sowie ferner parallel eine Diode 103, wobei die beiden zwischen das Gate des Transistors und einen Anschluß 104 geschaltet sind. Der Anschluß 104 ist mit der Drain des MOS-Leistungstransistors verbunden, d.h. normalerweise mit dem positiven Anschluß der Versorgungsquelle.
  • Wenn die an das Gate des MOS-Transistors TS angelegte Spannung positiv ist, ist der Transistor TS leitend. Die Zenerdiode 101 begrenzt die Gate-Source-Spannung des MOS- Transistors TS. Die Logikschaltung verbraucht einen Strom 1, der durch den Transistor TS fließt. Wenn die Polung der Spannungsquelle umgekehrt wird, wird die an das Gate des Transistors TS angelegte Spannung negativ und der Transistor sperrt. Nun liegt wiederum der Fall entsprechend Fig. 5C vor, wo die Diode 89 den Schutz der Logikschaltung sicherstellt.
  • Wenn eine plötzliche Umkehr der Polung erfolgt, während die Schaltung bisher im kontinuierlichen Betrieb mit einer positiven Spannung an dem Gate des MOS-Transistors TS arbeitete, dann ist es notwendig, daß der Transistor TS sehr rasch gesperrt wird, um den Schutz der Logikschaltung sicherzustellen. Dieses Umschalten auf Sperrung wird durch die Diode 103 ermöglicht, die eine sehr rasche Entladung des Gates des Transistors TS erlaubt.
  • Es ist ebenso notwendig, daß der Transistor in den leitenden Zustand nur mit einer gewissen Verzögerung geschaltet wird, nachdem die an das Gate des Transistors TS angelegte Spannung wieder positiv geworden ist. Dies ermöglicht es, Hochfrequenzschwingungen auszufiltern, wenn die Versorgungsspannung nahe 0 Volt ist. Dies wird mit dem Widerstand 102 realisiert, der eine Ladezeitkonstante t für das Gate des Transistors T1 einführt. Mit einem Widerstandswert in der Größenordnung von 1 Megohm nimmt die Ladezeitkonstante t einen Wert im Bereich von 5 Mikrosekunden an.

Claims (3)

1. Aktive Schutzdiode gegen Rückwärtsspannungen eines logischen Schaltungsteiles, die in einer monolithischen Struktur enthalten ist, welche einen logischen Schaltungsteil und einen Leistungsteil mit vertikalen MOS-Transistoren aufweist und mit einer Versorgungsspannunngsquelle sowie mit Masse verbunden ist, wobei der logische Schaltungsteil aus MOS- Transistoren aufgebaut ist, die in einem Graben eines ersten Leitungstyps in einem Halbleitersubstrat eines zweiten Leitungstyps gelegen sind, wobei die Rückseite des Substrates der Drain-Elektrode des vertikalen MOS-Transistors entspricht, der Graben eine Oberseite (69) aufweist und die aktive Schutzdiode in dem Graben realisiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie folgende Merkmale aufweist:
- einen MOS-Transistor, dessen Steuerelektrode durch eine Spannung angesteuert wird, deren Vorzeichen repräsentativ für die Versorgungsspannung ist, und dessen Drainbereich mit Masse verbunden ist, und
- eine tiefe Zone (71) mit hoher Dotierung des ersten Leitungstyps, die sich von der Oberseite (69) des Grabens nach unten erstreckt und mit der Source-Elektrode des MOS- Transistors verbunden ist.
2. Aktive Schutzdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steurelektrode des MOS-Transistors mit einem Widerstand (102) und einer Diode (103) verbunden ist, die in Parallelschaltung zwischen der Steuerelektrode und einem Anschluß (104) angeordnet sind, der mit der Drain-Elektrode des vertikalen MOS-Transistors verbunden ist.
3. Aktive Schutzdiode nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zenerdiode (101) zwischen Steuerelektrode und Source-Elektrode des MOS-Transistors geschaltet ist.
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